کشف غیرمنتظره: یکی ناپایداری پلاسما در همجوشی هسته ای، شاید بخشی از راه چاره باشد! - مجله مدیاپلیر

تحقیقات همجوشی هسته ای اکنون نشان می دهند که این آشفتگی ها همیشه مخرب نیستند و رفتار پیچیده تری دارند. پژوهشگران در بزرگ ترین راکتور فعال آمریکای شمالی یعنی تاسیسات ملی دی تری دی (DIII-D) در سن دیگو به شواهد تجربی کم نظیری دست یافته اند. داده های به دست آمده نشان می دهد نوع خاصی از ناپایداری پلاسما نه تنها عملکرد راکتور را مختل نمی نماید، بلکه به مهار فرایند هم یاری می نماید. این آزمایش تجربی اثبات کرد که جریان های الکتریکی ناشی از امواج خاص پلاسما، اثری خودتنظیم گر پدید می آورند که جلوی توسعه تلاطم های حرارتی را می گیرد. این پدیده فرض های پیشین فیزیکدانان را درباره رفتار پلاسما دگرگون نموده است.

مهار تلاطم پلاسما با استفاده از امواج آلفون

امواج ویژه پلاسما موسوم به مدهای ویژه آلفون (Alfvén eigenmodes) سال ها عاملی مزاحم برای بهینه سازی راکتورها شناخته می شدند. فیزیکدانان تصور می کردند این امواج ذرات پرانرژی را پراکنده نموده و باعث تضعیف محصورسازی مغناطیسی می شوند. شبیه سازی های اخیر و آزمایش های تازه نشان دادند همین امواج می توانند جریان های الکترومغناطیسی ویژه ای به نام جریان برشی در پلاسما ایجاد نمایند. جریان برشی مانند قیچی عمل نموده و گردابه ها و تلاطم های مخرب را در دل پلاسما متلاشی می نماید. با سرکوب این تلاطم، دمای الکترون ها و یون های باردار بالا می ماند و شرایط برای پیوند اتم ها بسیار مساعدتر می گردد. در نتیجه اتلاف حرارت کاهش می یابد و گرمای لازم در مرکز راکتور محبوس می ماند.

توسعه روش های نوین در راکتورهای همجوشی احتیاجمند ابزارهای تشخیصی بسیار دقیقی است که بتوانند تغییرات میدان مغناطیسی را بسنجند. فیزیکدانان تاسیسات کالیفرنیا برای ثبت این پدیده از ابزار تشخیصی اثر اشتارک حرکتی (Motional Stark Effect) استفاده کردند. در این روش، پرتوی از اتم های خنثی دوتریوم به درون پلاسمای فوق داغ شلیک می گردد. سپس حسگرها مقدار می گیرند که میدان مغناطیسی متغیر درون راکتور چگونه قطبش نور ساطع شده را تغییر می دهد. داده های به دست آمده به فیزیکدانان امکان داد تا تغییرات ظریف هندسه میدان مغناطیسی را به دقت بازسازی نمایند و رفتار امواج آلفون را در مقیاس های زمانی بسیار کوتاه بسنجند.

نقش کلیدی ضریب ایمنی مغناطیسی در پایداری راکتور

خطوط میدان مغناطیسی در توکامک مسیری پیچشی مانند فنر طی می نمایند و کمیتی به نام ضریب ایمنی مغناطیسی معین نماینده پایداری آن ها است. این ضریب نشان می دهد خطوط نیرو چند بار در جهت بلند دونات یعنی جهت توروییدی (Toroidal) دور می زنند تا یک دور کامل در جهت کوتاه یا پولوییدی (Poloidal) بزنند. ابزار تشخیصی توانست تغییری 5 درصدی را در ضریب ایمنی طی بازه زمانی کوتاه 20 میلی ثانیه ثبت کند. این افت و خیز کوتاه اثبات کرد که امواج آلفون، جریان های حلقوی محافظتی ایجاد نموده اند. این جریان ها مثل دیواره ای نامرئی عمل می نمایند و مانع از بیرون ریختن گرمای گرانبهای پلاسما می شوند.

مهندسی پیشرفته در تاسیسات گداخت هسته ای نشان می دهد پدیده هایی که پیش تر نقص تلقی می شدند، با رسیدن به آستانه مشخصی از انرژی به عامل تثبیت تبدیل می شوند. ناپایداری های راهنمایی شده، نوعی فرایند خودتنظیمی پدید می آورند که ساختار مغناطیسی راکتور را پایدارتر نگه می دارد. این رفتار غافلگیرنماینده ثابت می نماید راکتور در شرایط بحرانی می تواند تا حدی خود را تثبیت کند و کوره ای داغ و آماده برای همجوشی پایدار فراهم سازد. هرچند بهره برداری عملی و تجاری از این سازوکار هنوز احتیاجمند تحقیقات بیشتر است، اما این یافته گامی مهم در مسیر برطرف موانع فیزیکی مهار انرژی پاک خورشیدی روی زمین به شمار می رود.

سازوکار مغناطیسی جریان های برشی در مهار گردابه ها

فیزیک پلاسما شباهت زیادی به دینامیک سیالات متلاطم در جو زمین دارد و ایجاد جریان های برشی خودبه خودی مانع از اتلاف گرما می گردد. وقتی لایه های مجاور پلاسما با سرعت های متفاوتی حرکت نمایند، گردابه های حرارتی که تمایل دارند به دیواره سرد راکتور فرار نمایند متلاشی می شوند. امواج آلفون مانند یک پمپ الکترومغناطیسی طبیعی عمل نموده و انرژی را از ذرات پرانرژی می گیرند و به لایه های بیرونی جریان تزریق می نمایند. این انتقال انرژی سبب کاهش شدید جریان نفوذی حرارت به بیرون می گردد. شناخت دقیق این سازوکار به پژوهشگران اجازه می دهد بدون احتیاج به تجهیزات خارجی گران قیمت، شرایط محصورسازی بهینه را در راکتورهای نسل بعد فراهم آورند.

مسیر تاریخی ساخت خورشید مهارشده روی کره زمین

ایده ساخت راکتورهای چنبره ای در دهه 1950 میلادی به وسیله فیزیکدانان برجسته شوروی یعنی ایگور تام و آندری ساخاروف مطرح شد. نام توکامک نیز سرواژه ای روسی به معنای اتاقک چنبره ای با سیم پیچ های مغناطیسی است که توانست بر رقبایی مانند استلراتور (Stellarator) پیشی بگیرد. مهار پلاسمایی با دمای بالاتر از صد میلیون درجه همیشه مستلزم جنگی دائمی میان فشار پلاسما و کشش میدان های مغناطیسی بوده است. این کشف تازه نشان می دهد که طبیعت همیشه در برابر مهار شدن مقاومت نمی نماید، بلکه قوانین فیزیک پلاسما در صورت شناخت عمیق تر می توانند به مهندسان یاری نمایند تا راکتورهای پایدارتر و کارآمدتری برای تامین انرژی آینده بسازند.

منبع: Physical Review Letters

پیشنهاد اختصاصی سردبیر (علیرضا مجیدی)

این مقاله مجذوب کننده و جالب بود؟! پس برای خواندن این نوشته های مرتبط کلیک کنید:

• برندگان جایزه هوگو معرفی شدند؛ راهنمای جامع برگزیدگان، تاریخچه و تحلیل آثار شاخص دنیای علمی تخیلی و فانتزی
• آنالیز اولیه گوشی رباتیک آنر: آزمایشی مجذوب کننده از ترکیب گیمبال و موبایل
• پشت پرده استفاده سازندگان کلود از سایت های غیرقانونی دانلود کتاب برای آموزش هوش مصنوعی
• هشدار امنیتی؛ این 19 افزونه محبوب کروم حساب ارز دیجیتال کاربران را خالی می نمایند
• چگونه با روش 3 اولویت استیو جابز به بهره وری حداکثری برسیم؟
• کشف زنبق قیری در اعماق خلیج مکزیک و راز فوران آسفالت در بستر اقیانوس